A densidade do carbeto de silício

O carbeto de silício, mais comumente chamado de carborundum ou SiC, é um material cerâmico duro com inúmeras aplicações. Essa substância versátil serve como abrasivo, tem propriedades semicondutoras de amplo intervalo de banda e pode até ser fabricada em componentes estruturais de cerâmica.

A produção envolve a reação e a pirólise de polissiloxanos sob pressão, a moagem em forma de pó, a sinterização para formar formas sólidas e, em seguida, a moagem para a modelagem microestrutural final. Cada etapa desempenha um papel integral na produção desse material final, com resultados diferentes dependendo dos métodos de formação usados, que têm uma influência significativa na microestrutura.

Densidade teórica

A composição densa do carbeto de silício desempenha um papel fundamental em sua capacidade de resistir ao estresse químico, térmico e mecânico. Com propriedades superiores de dureza e condutividade térmica, o carbeto de silício é uma excelente opção de material para aplicações de alto desempenho e alta tensão.

Materiais mais densos tendem a oferecer maior resistência à corrosão e ao desgaste. Além disso, suas baixas taxas de expansão/retração permitem que eles suportem melhor as temperaturas extremas, o que os torna ideais para sistemas elétricos e de gás.

O SiC também é altamente resistente à radiação e tem um bandgap excepcionalmente grande em comparação com outros semicondutores, o que permite que ele opere em temperaturas, tensões e frequências muito mais altas em comparação com seus pares. Portanto, o SiC pode ser usado em uma variedade de aplicações eletrônicas e industriais, incluindo geração de energia, uso aeroespacial e automotivo.

Atingir altas densidades de SiC pode ser um desafio para componentes grandes. Porém, com a tecnologia de compressão em rampa, agora é possível atingir densidades uniformes de até 98% da densidade teórica. O processo envolve a criação de uma dispersão homogênea de uma mistura de pós de tamanho submicrônico que consiste principalmente em carbeto de silício com um aditivo que contém boro; em seguida, essa mistura de pós é moldada em corpos verdes antes de ser sinterizada a 1900-2100 graus Celsius sob condições de atmosfera controlada.

Os aditivos contendo boro devem ser adicionados durante a mistura do pó em uma quantidade equivalente a uma parte em peso de boro elementar para cada 100 partes de carbeto de silício, para uma densificação segura sem segregação nos limites dos grãos.

Densidade física

O carbeto de silício (C-Si) é um material artificial composto de carbono (C) e silício (Si). Ele tem a segunda maior dureza de Mohs depois do carbeto de boro, com 9, e oferece força excepcional, resistência ao desgaste e resistência à corrosão; na verdade, ele pode até mesmo suportar a exposição aos ácidos fluorídrico e sulfúrico sem ser corroído - além da água, a maioria dos produtos químicos, inclusive os alcalinos, não consegue dissolvê-lo! A versatilidade do carbeto de silício como material de engenharia também o torna popular entre os cientistas.

Como pode suportar operações de corte e esmerilhamento de alta velocidade, além de ser usado em aplicações de jateamento abrasivo e usinagem, o esmeril é amplamente utilizado no trabalho lapidário moderno devido à sua durabilidade e economia. Além disso, é uma matéria-prima importante na produção de compostos para lixamento e polimento.

O carbeto de silício surgiu como um dos principais materiais da tecnologia espacial devido à sua excelente durabilidade e resistência ao nível de radiação. Dessa forma, os espelhos feitos de carbeto de silício tornaram-se a escolha de vários dos maiores telescópios, como as missões Herschel e BepiColombo, ou podem até mesmo ser moldados em estruturas rígidas para suportar temperaturas encontradas em Vênus e níveis de radiação que excedem as expectativas.

Evidências experimentais recentes demonstram que o a-SiC é estável em sua fase B1 em uma ampla gama de condições que correspondem às condições esperadas do manto de exoplanetas ricos em carbono, em contraste com seu comportamento na Terra, onde se decompõe rapidamente em sílica e oxigênio.

Densidade química

O carbeto de silício, mais comumente chamado de SiC, é um composto químico composto de silício (número atômico 14) e carbono (número atômico 6). Sua aparência é de um verde iridescente a preto azulado, com características não combustíveis; sua densidade é de 3,21 gramas por cm3 cúbico.

O carbeto de silício ocorre naturalmente em meteoritos, depósitos de coríndon e depósitos de kimberlito em quantidades limitadas; no entanto, a maior parte do carbeto de silício usado em dispositivos eletrônicos é produzida sinteticamente. Edward Acheson sintetizou o carbeto de silício pela primeira vez em 1891, quando tentou criar diamantes artificiais aquecendo argila e coque em pó em um forno elétrico a arco; ao fazer isso, ele notou cristais verdes brilhantes que pareciam semelhantes ao diamante presos a eletrodos de carbono e batizou esses cristais de "moissanita", em homenagem ao tipo de pedra com o qual se assemelhavam.

O SiC é um material semicondutor com uma lacuna de banda extremamente ampla, o que lhe permite operar em temperaturas e tensões mais altas do que outros materiais semicondutores. Devido à sua excelente condutividade térmica, a dissipação de calor ocorre rapidamente, enquanto sua densa estrutura cristalina oferece resistência superior ao desgaste - perfeita para aplicações como ferramentas de corte.

O EAG Laboratories tem ampla experiência na análise de SiC usando técnicas analíticas em massa e espacialmente resolvidas. O SiC é um material extremamente útil para a fabricação de semicondutores, pois pode ser dopado com vários elementos para alterar suas características eletrotérmicas. Garantir a concentração e a distribuição espacial dos dopantes e, ao mesmo tempo, eliminar contaminantes indesejáveis é fundamental para a criação de produtos semicondutores de alta qualidade.

Densidade térmica

O carbeto de silício é um material extremamente denso e uma das substâncias mais duras disponíveis, proporcionando excelente resistência à corrosão como um material cerâmico que poderia possivelmente reduzir os sistemas de resfriamento ativo em veículos elétricos.

O carbeto de silício (SiC) é um sólido cinza claro ligado covalentemente com a dureza relativa do diamante na escala de Mohs. Os refratários que possuem essas propriedades são ideais para uso, pois o SiC tem alto ponto de fusão, condutividade térmica e baixas taxas de expansão térmica.

O carbeto de silício pode ser dopado com nitrogênio ou fósforo para formar um semicondutor do tipo n; ou dopado com berílio, boro, alumínio e gálio para formar um semicondutor do tipo p. Devido ao seu amplo intervalo de banda, ele pode suportar uma tensão três vezes maior do que os semicondutores de silício padrão. O carbeto de silício tornou-se o material de referência para a produção de dispositivos eletrônicos devido à sua ampla utilização como material de componente eletrônico.

Existem depósitos naturais de SiC em determinadas amostras de meteoritos, depósitos de coríndon e kimberlitos, mas a maior parte do SiC industrial é produzida sinteticamente. As variantes de SSiC e SiSiC estão entre os materiais utilizados com mais frequência em condições exigentes, como impressão 3D, produção balística, produção química e aplicações de tecnologia de energia, bem como componentes de sistemas de tubulação, devido às suas propriedades térmicas; sua densidade mais alta do que a do quartzo puro torna esses compostos um substituto atraente do metal e eles oferecem boas propriedades de rigidez, dureza e resistência a altas temperaturas que rivalizam com as propriedades térmicas do quartzo puro em comparação com o quartzo puro e a resistência a altas temperaturas, tornando esses compostos alternativas atraentes de substituição de metal.